WO2011127908A1 - Mikrofluidiksystem und verfahren zu dessen betreiben - Google Patents

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WO2011127908A1
WO2011127908A1 PCT/DE2011/000404 DE2011000404W WO2011127908A1 WO 2011127908 A1 WO2011127908 A1 WO 2011127908A1 DE 2011000404 W DE2011000404 W DE 2011000404W WO 2011127908 A1 WO2011127908 A1 WO 2011127908A1
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pressure chamber
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liquid
chamber
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Rinaldo Greiner
Andreas Richter
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Technische Universität Dresden
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Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system and a method for its operation.
  • Microfluidic applications have been around for some years in the form of inkjet printers, diabetes analyzers, smart fountain pens, u.v.m. Moving into our daily life.
  • Research groups are currently working hard to develop microfluidic applications and solutions using lab-on-chip (LOC) systems in the areas of medicine, (bio) chemistry and pharmacy establish.
  • LOC lab-on-chip
  • the integration of a very large number of basic operations on the miniaturized chip enables an extraordinarily It provides reliable, cost-effective analysis and medical diagnosis, as thousands of operations can be performed simultaneously in a single step, similar to the microelectronics processor.
  • the automation of the often multi-stage analysis processes not only saves time since the remaining process steps are carried out autonomously after the initialization, but also reduces the error susceptibility of the investigation, since the user is excluded as a potential source of error.
  • the automation of the analysis processes is an important part of LOC systems, since non-specialists use the
  • microfluidic applications are the handling of very small quantities of substances in the main application areas of pharmacy, chemistry and biochemistry as well as medicine, where typically the following tasks are performed by LOC systems
  • Pipetting robots and special machines fulfill the abovementioned objects at a lower cost than hybrid LOC systems currently available on the market. Pipetting robots and special machines, however, are very expensive and are reserved for a few financially strong companies and institutes.
  • Hybrid LOC systems (WO 2002 057 744 A2, US 2003 0230488 A1) are microfluidic chips which contain different material platforms or in which the active elements, such as valves and pumps, are integrated on the chip by separate working steps have to. These additional steps prevent the economical use of current hybrid LOC systems.
  • the valves and pumps must be controlled electrically or pneumatically, resulting in a complex overall structure.
  • the disadvantage of the systems presented above is that they are not portable and thus do not offer any usability in the point-of-care area.
  • Rotation Systems Ducree, J. and Haeberle, S. and Lutz, S. and Pausch, S. and von Stetten, F. and Zengerle, R. "The centrifugal microfluidic bio-disc platform", 2007, Journal of Micromechanics and Microengineering, Haeckle, S. and Zengerle, R. "Microfluidic platforms for lab-on-a-chip applications", 2007, Lab Chip, 7, 1094-1110, Haeleberg, S. and Zengerle , R.
  • the autonomous microfluidic processor (WO 2008 049 413 A2) is plastic-based, the active elements (valves, pumps) being realized with swellable hydrogels and dissolvable elements.
  • the described pumping process is caused by volume change of the hydrogels. As a result, production costs can be achieved that are significantly lower than those currently offered by LOC systems.
  • a micro-energy source which can be integrated on the chip can bring additional benefits here and open up new fields of application since an extended property profile can be established. can be built. In addition, applications in the field of point-of-care diagnostics are possible with an integrated micro-energy source.
  • a microbioreactor which causes a membrane deflection with an external pressure supply.
  • an external auxiliary energy in the form of compressed air is necessary.
  • US 2009/0060797 AI in which the described microfluidic structure is operated with positive and negative pressure.
  • Pinch valve comprises three substrates, wherein in the first and second substrates, a valve control channel or a fluid channel are arranged and the substrate consists of elastic material. In addition, the device receives a pressure chamber.
  • An ideal LOC system is a portable, self-contained and largely automatic system where the user only has to supply the liquids to be analyzed, while the movement of liquid on the chip, mixing, splitting and merging is autonomous.
  • the advantage of autonomous LOC systems is the reduction of material and reagent consumption as well as the required analysis time.
  • the susceptibility of the system is reduced, since the user can be almost completely excluded as a potential source of error.
  • the object of the invention is to provide a pneumatic micro-energy source for Mikrofluidilsysteme that can be integrated on a LOC chip.
  • a pneumatic micro-energy source for Mikrofluidilsysteme that can be integrated on a LOC chip.
  • an increase in pressure on the LOC chip for the movement of a fluid should be generated without external supply of energy and pressure.
  • the invention is based on a non-energy-free conversion of at least two educts with the release of a gas.
  • the material basis of the invention form reactants which release a gas in a chemical reaction with each other.
  • acids and bases are used for this purpose.
  • Eduktkombinatio- nen which refers to an acid and a salt based on carbonate, since in this reaction, the harmless gas carbon dioxide (C0 2 ) is formed.
  • any acid can be used, but it makes sense for safety reasons to use only weak acids, such as citric acid (CeH 8 0 7 ) or malonic acid (C 3 H 4 O 4 ).
  • Suitable salts are, for example, sodium bicarbonate (NaHC0 3 ) or nitrium carbonate (a 2 C0 3 ).
  • the operating principle of the pneumatic micro-energy source is based on the chemical reaction between a salt and an acid, which leads to gas evolution.
  • the educts may be in the following forms:
  • the reactants can be integrated separately from each other on the LOC chip.
  • the reaction is started.
  • the resulting gas in the reaction leads to an increase in pressure in the pressure chamber, which is designed as a closed system. If a wall of the pressure chamber is flexible, e.g. by an elastically stretchable membrane, this is deflected by the pressure increase.
  • the diaphragm displacement can be used to move fluids within an LOC system due to the resulting displacement.
  • Fig.la the basic structure of a pneumatic micro-energy source with an elastically extensible membrane as part of a pump.
  • Fig. lb the filling of a pump chamber.
  • Fig.lc the basic control of the pump chamber.
  • Fig.ld the pumping process triggered by the pneumatic energy source.
  • FIG. 2b shows the theoretical and the measured pressure development for 57.6 mg of citric acid and 75.6 mg of sodium hydrogencarbonate.
  • Fig.2c the pressure evolution over time at 57.6 mg citric acid and 75.6 mg sodium bicarbonate.
  • Fig.2d the volume evolution of C0 2 as a function of the Eduktmassen.
  • FIG. 5 shows a cascade control, in which the pumps are controlled as a function of the applied pressure.
  • a pneumatic micro-energy source shown in Fig.la can be used to control one or more pump chambers 6. Integration of the pneumatic micro-energy source into a complex LOC system reduces transport, mixing, separation, and analysis Amounts of liquid. This LOC system is particularly suitable for chemical, biological and medical applications, where small amounts of often expensive reagents are manipulated and investigated. The manufacture of the pneumatic micro-energy source according to the invention will be described in detail below.
  • Suitable materials are e.g. Polycarbonate (PC), cycloolefins (COC), polyamides (PA), polyesters (PES), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), polymethyl methacrylate (PMMA), polytetrafluoroethylene (PTFE) or even polyethylene terephthalate (PCT).
  • PC Polycarbonate
  • COC cycloolefins
  • PA polyamides
  • PS polystyrene
  • PVC polyvinyl chloride
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • the negative structures of the channel structure support 1 and the Aktor Siemens Designisme 2 are photolithographically transferred to a silicon wafer and then coated by sputtering with Teflon to ensure an optimal molding process.
  • the PDMS is placed in the desired mixing ratio of polymer and crosslinker on the silicon wafer, degassed and then crosslinked for about 1 h at 80 ° C.
  • a membrane 3 lying between the structural supports 1, 2 of the micro-energy source is a thin polymer, preferably an elastomer, which can be easily deflected.
  • Flexible, elastically extensible membranes made of PDMS, polyurethane (PUR) or latex are ideal.
  • the membranes can be produced independently by spin coating. It can thus achieve membrane thicknesses of 15um to 200um. However, membranes of the required strength can also be obtained commercially.
  • the planes of channel structural support 1, actuator structural support 2 and elastically extensible membrane 3 of the pneumatic micro-energy source can be interconnected by various techniques, such as gluing, thermal welding or non-positive joining. For bonding PDMS, the low-pressure plasma treatment is recommended, after which the individual layers of the LOC chip can be easily bonded together.
  • the geometric structure of the pneumatic microenergy source and thus also of an LOC chip depends strongly on the states of the starting materials used, with three possible combination variants for the states of aggregation of two educts: solid / solid; solid / liquid and liquid / liquid. If the starting materials are in liquid form, they must be separated from each other before the beginning of the reaction. By combining the two liquids, the reaction is triggered. If there is an educt in liquid form and a starting material in solid form, then the reactants must also be separated from one another before the beginning of the reaction. Merging the liquid with the solid initiates the reaction. If both starting materials are present in solid form, they need not be separated from one another. By supplying a suitable initiator liquid 13, the reaction is triggered.
  • solid / liquid and liquid / liquid can be realized by slight variation of the structure of the pneumatic micro-energy source.
  • the pump chamber 6 is provided with a liquid 9 to be pumped via inlets 11 (FIG. 4, FIG. 5) filled.
  • a channel structure 1 a of the channel structure carrier 1 the liquid 9 passes into the pump chamber 6, which is separated from the pressure chamber 5 by the elastically extensible membrane 3.
  • a passive valve 10 prevents the fluid 9 from flowing further, thus allowing the pump chamber 6 to be completely filled.
  • a passive valve 10 can be realized by changing the surface properties, such as by hydrophilizing the carrier substrate by trichlorosilane at selected locations. Also, by reducing the channel cross-section and the resulting increase in fluidic resistance, a passive valve can be constructed.
  • the chemical reaction initiator liquid 13 is also filled in an inlet 11.
  • the initiator liquid 13 is ideally water, but any other possible liquid in which reactants 8a, 8b dissolve or which itself is a starting material can also be used.
  • Fig.la shows the pneumatic power source in the ground state.
  • the pump chamber 6 is separated from the pressure chamber 5 by the elastically stretchable membrane 3.
  • the educts 8a, 8b of the chemical reaction are present in solid form in the pressure chamber 5.
  • At the entrance of the pump chamber 6 and the pressure chamber 5 are open directional valves 4a, 4b.
  • the pump chamber 6 is filled with the liquid to be pumped 9 in the first step. During the filling process, the liquid 9 passes the directional valve 4a.
  • a closed directional valve 4a in the channel la of the channel structure carrier 1 causes the liquid to be pumped 9 during the pumping operation in one direction only and via the passive Valve 10 can be moved out of the pump chamber 6.
  • Fig.lc shows the filled pump chamber 6 and the closed directional valve 4a in the channel structure support 1.
  • the closed directional valve 4a closes the channel la in the channel structure support 1 tight.
  • the directional valve 4b closes the channel 2a of the Aktor Modellmonos 2, whereby the pressure chamber 5 is sealed to the outside, which guarantees that pressure in the pressure chamber 5 can be established by the chemical reaction.
  • the educts 8a and 8b are, for example, an acid and a salt, which react to form a gas through a chemical reaction.
  • weak acids such as citric acid (C 6 H 8 O 7 ), malonic acid (C 3 H0 4 ), etc. are preferably used for the reaction.
  • Suitable salts are sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), etc., since their reaction with the acid produces the harmless CO 2 gas.
  • all substances can be used as reactants, which release gas through a reaction.
  • citric acid C 6 H 8 0 7
  • sodium bicarbonate NaHCO 3
  • the starting materials 8a and 8b are in solid form. Only when the educts 8a and 8b come into contact with the initiator liquid 13, the chemical reaction is started.
  • the products formed are sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 07), the gas carbon dioxide (C0 2 ) and water (H 2 O). Since the product is water, the reaction is self-sustaining. This means that even a small drop of water is enough to start the reaction and not break it down due to lack of liquid.
  • Fig.ld shows the pressure development due to the chemical reaction. Important for the pressure development are the closed directional valve 4a at the entrance of the pump chamber 6 and the closed directional valve 4b at the inlet of the pressure chamber 5.
  • the dynamics of gas evolution and the associated pumping speed and the maximum pressure in the pressure Chamber 5 can be influenced by the choice of starting materials and their masses used in the chemical reaction.
  • the mass ratio refers to the reaction equation (61.1) of citric acid and sodium bicarbonate.
  • the reactants should be used in a mass ratio of 192: 252 or 1: 1.31.
  • Figure 2b shows the masses of citric acid and sodium bicarbonate used in the reaction, the theoretical and the measured pressure in kPa and the resulting relative error.
  • Fig. 2c shows the pressure evolution over time at 57.9 mg of citric acid and 75.6 mg of sodium bicarbonate.
  • the reaction shows a dynamic behavior. 50% of the maximum pressure is available after a few seconds.
  • the standard deviations of the diagram show that the reaction results are reproducible.
  • the pressures can be preset. The larger the educt compositions used, the greater the dynamics of the system and the greater the maximum pressure.
  • FIG. 2 d shows the volume of CO 2 produced by the chemical reaction. Again, the theoretical values are in good agreement with the measurements. Deviations mainly arise through:
  • a pneumatic micro-energy source can be used to control several pneumatic micro-energy sources simultaneously.
  • the pneumatic micro-energy sources can be arbitrarily distributed geometrically on a LOC chip, as long as they are connected by channels 2a in Aktor Weg 2 with the pressure chambers 5.
  • the number of pneumatic micro-energy sources is not limited, so that as many independent pressure sources as possible can be placed on the LOC chip.
  • pressure relief valves 14 prevents an LOC chip from being destroyed by excessive pressure. When the pressure in the pressure chamber 5 reaches a specified maximum pressure, the pressure valve 14 opens and prevents the maximum pressure from being exceeded and the LOC chip being destroyed.
  • FIG. 4 shows the integration of several pneumatic micro-energy sources on a LOC chip.
  • a variable number of pumps can be controlled independently of each other and with different pressures.
  • FIG. 5 shows a cascade control of various pumps. Depending on the pressure relief valves 14, the pumps are then pressurized when the pressure in the channel 2 a of Aktor Jardins 2 exceeds the Publ ungstik of the pressure relief valve 14. It can be constructed as a pressure-based cascade control of the LOC chip.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Mikrofluidiksystems und einem Mikrofluidiksystem wird durch ein gezieltes Zusammenführen mindestens zweier Edukte (8a, 8b) in einer Druckkammer (5) eine hilfsenergiefreie chemische Reaktion veranlasst, bei der als ein Reaktionsprodukt ein Gas entsteht, welches den Druck in der Druckkammer (5) so erhöht, dass die Druckkammer (5) durch Auslenken mindestens einer elastisch dehnbaren Membran (3) eine VolumenVergrößerung erfährt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Betreiben Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidiksystem und ein Verfahren zu dessen Betreiben.
Mikrofluidik-Applikationen haben schon seit einigen Jahren in Form von Inkjet-Druckern, Diabetesanalysegeräten, intelligenten Füllfederhaltern, u.v.m. Einzug in unser tägliches Leben genommen . Derzeit arbeiten Forschergruppen mit Hochdruck daran, Mikrofluidik-Anwendungen und Lösungen mit Hilfe von Labor-auf-dem-Chip-Systemen (Lab-on-Chip / (LOC) -Systemen) in den Bereichen Medizin, (Bio-) Chemie und Pharmazie zu etablieren.
Derzeit werden Analysen und medizinische Diagnosen in kleinen und mittleren Institutionen vorwiegend manuell, d.h. zeitaufwendig und mit hohem Reagenzienverbrauch durchgeführt. In großen Institutionen werden diese Untersuchungen von Roboteranlagen durchgeführt, die eine hohe Durchsatzrate besitzen, aber viel Platz benötigen und große Anschaffungskosten haben. Die großen Totvolumina, entstehend durch Schläuche, Mehrwegventile und Peristaltik-Pumpen, verhindern hierbei eine effiziente und kostengünstige Analyse . Die Miniaturisierung komplexer Laboraufgaben auf Millimeter bis Zentimeter große Chips ermöglicht es , Analysen effektiv und effizient durchzu ühren. Die Größenreduzierung der vorhandenen Aufbauten verkürzt Analysezeiten, verringert den Reagenzienverbrauch von oftmals wertvollen bzw. seltenen Proben und ermöglicht den Aufbau portabler Geräte . Ziel der LOC-Systeme ist es, komplizierte und aufwendige Prozessabläufe zu miniaturisieren und automatisieren. Die Integration einer sehr großen Anzahl an Grundoperationen auf den miniaturisierten Chip ermöglicht eine außerordentlich schnei- le, zuverlässige und kos engünstige Analyse und medizinische Diagnose, da ähnlich dem Mikroelektronik-Prozessor in einem einzigen Schritt tausende von Operationen gleichzeitig realisiert werden können . Die Automatisierung der oftmals mehrstufigen Analysevorgänge erspart nicht nur Zeit, da nach dem Initialisierungsbefüllen die verbleibenden Prozessschritte autonom durchgeführt werden, sondern verringert zudem die Fehleranfälligkeit der Untersuchung, da der Benutzer als potentielle Fehlerquelle ausgeschlossen wird. Die Automatisierung der Analysevorgänge ist ein wichtiger Bestandteil von LOC-Systemen , da Nicht-Fachleuten das
Durchführen komplizierter Untersuchungen ermöglicht wird, so dass sie innerhalb kurzer Zeit und vor Ort auf eine patientennahe Labordiagnostik (Point-of-Care Diagnostik) auf die benötigten Ergebnisse zugreifen können .
Trotz der offensichtlichen Vorteile der LOC-Systeme vor allem im Bereich der Point-of-Care Diagnostik gibt es bis heute kaum kommerziell erhältliche Geräte. Grund hierfür sind technologische Probleme, den gesamten Analysevorgang zu automatisieren und die benötigte Energiequelle effektiv in das LOC-System zu integrieren.
Stand der Technik
Die Aufgabe von Mikrofluidik-Applikationen ist das Handhaben kleinster Stoffmengen in den Hauptanwendungsgebieten Pharmazie, Chemie und Biochemie sowie Medizin, wo typischerweise die folgenden Aufgaben durch LOC-Systeme
realisiert werden sollen :
• Probenaufnahmen durch das LOC-System
• Handhabung der Flüssigkeit, wie z.B. Bewegen, Dosieren, Teilen, Mischen und Zusammenführen der zu untersuchenden Flüssigkeit • Durchführen der Reaktion
• Analyse der Reaktionsergebnisse.
Nachfolgend werden einige Ansätze vorgestellt, deren Ziel es ist, einen hohen Durchsatz an Reaktionen zu erzielen. Pipettierroboter und Spezialmaschinen (WO 2006 085 071 A2 ; WO 2005 114 223 A2) erfüllen die oben genannten Aufgaben preiswerter als derzeit am Markt erhältliche hybride LOC- Systeme. Pipettierroboter und Spezialmaschinen sind jedoch in den Anscha fungskosten sehr teuer und wenigen finanzkräftigen Firmen und Instituten vorbehalten.
Die von S . Quake dargestellte pneumatische Steuerung für LSI (large scale Integration) Mikrofluidik (Melin, J. and Quake, S. R. "Microfluidic large-scale Integration: The evolution of design rules for biological automation" , 2007, Annual Review Of Biophysics And Biomolecular Structure, 36, 213-231; Wu, A. R. and Hiatt, J. B. and Lu, R. and Attema, J. L. and Lobo, N. A. and Weissman, I. L. and Clarke, M. F. and Quake, S. R. "Automated microfluidic chromatin immuno- precipitation from 2,000 cells" , 2009, Lab On A Chip, 9, 1365-1370) ermöglicht es, preiswert und effizient eine große Anzahl an Reaktionen parallel ablaufen zu lassen.
Bei hybriden LOC-Systemen (WO 2002 057 744 A2 ; US 2003 0230488 AI) handelt es sich um Mikrofluidik-Chips , die unterschiedliche Materialplattformen enthalten oder bei denen die aktiven Elemente, wie z.B. Ventile und Pumpen, durch separate Arbeitsschritte auf dem Chip integriert werden müssen. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte verhindern eine wirtschaftliche Nutzung derzeitiger hybrider LOC-Systeme. Zudem müssen die Ventile und Pumpen elektrisch bzw. pneumatisch angesteuert werden, was zu einem komplexen Gesamtaufbau führt. Der Nachteil der oben vorgestellten Systeme ist, dass sie nicht portabel sind und so keine Nutzbarkeit im Point-of- Care Bereich bieten. Es gibt jedoch verschiedene Ansätze, LOC-Systeme durch Hilfsenergie in den Point-of-Care Bereich einzuführen .
Rotationssysteme (Ducree, J. and Haeberle, S. and Lutz, S. and Pausch, S. and von Stetten, F. and Zengerle, R. "The centrifugal microfluidic bio-disc platform" , 2007, Journal Of Micromechanics And Microengineering, 17, 103-115; Hae- berle, S. and Zengerle, R. "Microfluidic platforms for lab- on-a-chip applications" , 2007, Lab Chip, 7, 1094-1110; Hae- berle, S. and Zengerle, R. and Ducree, J. "Centrifugal ge- neration and manipulation of droplet emulsions" , 2007, Mi- crofluidics And Nanofluidics , 3, 65-75 ) nutzen die Zentrifugalkräfte, um Flüssigkeiten auf einem CD ähnlichen LOC- System zu transportieren. Hierbei wird das LOC-System in einen modifizierten und portablen CD-Player eingelegt und kann nach dem Gebrauch einfach ausgetauscht werde . Durch diesen Ansatz entstehen Abhängigkeiten vom Betriebsgerät und mechanische Anfälligkeiten. Ideal wäre ein Gerät mit integrierten Energiequellen, so dass der Aufbau von autarken LOC-System ermöglicht wird. Ein erster Ansatz, autarke LOC-Systeme aufzubauen, wird nachfolgend vorgestellt.
Der autonome Mikrofluidik-Prozessor (WO 2008 049 413 A2) ist kunststoffbasiert, wobei die aktiven Elemente (Ventile, Pumpen) mit quellfähigen Hydrogelen und auflösbaren Elementen realisiert werden . Der beschriebene Pumpvorgang wird durch Volumenänderung der Hydrogele hervorgerufen. Es können so Herstellungskosten erreicht werden, die stark unter denen derzeitig angebotener LOC-Systeme liegen.
Eine auf dem Chip integrierbare Mikroenergiequelle kann hier zusätzlichen Nutzen bringen und neue Anwendungsfelder erschließen, da ein erweitertes Eigenschaftsprofil aufge- baut werden kann . Zudem sind mit einer integrierten Mikro- energiequelle Applikationen auf dem Gebiet der Point-of- Care-Diagnostik möglich.
Zusätzlich gibt es Mikrofluidik-Systeme , die die Elektrolyse zur Bewegung von Flüssigkeiten auf dem Chip nutzen
(DE102006017482A1 und US 5573 646 A) . Bei der Elektrolyse wird, durch eine von außen angelegte Spannungsversorgung eine Flüssigkeit in mindestens ein Gas aufgespalten. Mikro- fluidik-Systeme, die durch Elektrolyse betrieben werden, haben den Nachteil, dass mobile Systeme, ohne Verbindungen zu einer Spannungsversorgung nicht realisiert werden können .
In der Offenlegung WO 2009/121868 A2 ist ein Mikrobioreak- tor offenbart, der mit einer externen Druckzufuhr eine Membranauslenkung hervorruft. Hierdurch ist eine externe Hilfsenergie in Form von Druckluft nötig. Entsprechendes gilt für die Offenlegung US 2009/0060797 AI in der die beschriebene Mikrofluidikstruktur mit Uber- und Unterdruck betrieben wird.
In DE 10 2008 002 336 AI ist ein mikrofluidischer Chip beschrieben, welcher ein Quetschventil aufweist, das ebenfalls durch externe Druckzufuhr angesteuert wird. Das
Quetschventil umfasst dabei drei Substrate, wobei in dem ersten bzw. zweiten Substrat ein Ventilkontrollkanal bzw. ein Fluidkanal angeordnet sind und das Substrat aus elastischem Material besteht. Daneben erhält die Einrichtung eine Druckkammer .
In DE 10 2006 030 068 AI wird ein Mikroaktoren Array beschrieben, dass durch externe Druckbeaufschlagung eines pneumatischen Kanals eine flexible Membran zwischen zwei Strukturträgern auslenkt und somit eine Volumenvergrößerung in einer der beiden Kammern hervorruft. Nur durch externe Druck- bzw. Spannungsversorgung können die dort in Absatz
[0046] beschriebenen Vorrichtungen angesteuert werden.
Der Nachteil der externen Druck- und Spannungsversorgung der vorher beschriebenen Schriften soll mit der erfindungs- gemäß dargestellten Integration der Mikroenergiequellen auf dem Chip behoben werden, wodurch portable point-of-Care Diagnostik-Geräte entwickelt werden können.
Ein ideales LOC-System ist ein portables, autarkes und weitestgehend automatisch arbeitendes System, bei dem der Nutzer nur noch die zu analysierenden Flüssigkeiten zuführen muss, während die Bewegung der Flüssigkeit auf dem Chip, das Mischen, Teilen und Zusammenführen autonom geschieht. Der Vorteil von autonomen LOC-Systemen ist die Reduktion des Material- und Reagenzienverbrauchs sowie der benötigten Analysezeit. Zudem wird die Fehleranfälligkeit des Systems verringert, da der Nutzer als potentielle Fehlerquelle fast vollständig ausgeschlossen werden kann.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine pneumatische Mikro- energiequelle für Mikrofluidilsysteme zu schaffen, die auf einem LOC-Chip integriert werden kann. Mit Hilfe einer chemischen Reaktion zwischen mindestens zwei Edukten soll ohne externe Energie- und Druckzufuhr eine Druckerhöhung auf dem LOC-Chip zur Bewegung eines Fluids erzeugt werden. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen des Flüssigkeitstransparts unter Verwendung von Hydrogelen, externen Druck- und Spannungszufuhr und Elektrolyse beruht die Erfindung auf einer hilfsenergiefreien Umwandlung von mindestens zwei Edukten unter Freisetzung eines Gases.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den begleitenden Ansprüchen angegeben .
Die stoffliche Grundlage der Erfindung bilden Edukte, die bei einer chemischen Reaktion miteinander ein Gas freisetzen . Vorzugsweise werden hierfür Säuren und Basen eingesetzt. Es gibt eine Vielzahl an möglichen Eduktkombinatio- nen, wobei sich im Folgenden auf eine Säure und ein Salz auf Carbonatbasis bezogen wird, da bei dieser Reaktion das ungefährliche Gas Kohlenstoffdioxid (C02) entsteht.
Prinzipiell kann jede Säure genutzt werden, doch bietet es sich aus sicherheitstechnischen Gründen an, nur schwache Säuren, wie z.B. Zitronensäure (CeH807) oder Malonsäure (C3H4O4) zu verwenden. Als Salze eignen sich z.B. Natrium- hydrogencarbonat (NaHC03) oder Nitriumcarbonat ( a2C03) . Das Funktionsprinzip der pneumatischen Mikroenergiequelle beruht auf der chemischen Reaktion zwischen einem Salz und einer Säure, bei der es zu einer Gasentwicklung kommt. Es können die Edukte in den folgenden Formen vorliegen:
fest-fest; fest-flüssig; flüssig-flüssig.
Die Reaktionspartner können örtlich getrennt voneinander auf dem LOC-Chip integriert werden .
Erst durch Kontakt bzw. Mischen der beiden Edukte wird die Reaktion gestartet. Das bei der Reaktion entstehende Gas führt zu einer Druckerhöhung in der Druckkammer, die als geschlossenes System ausgeführt ist. Ist eine Wand der Druckkammer flexibel ausgeführt, wie z.B. durch eine elastisch dehnbare Membran, so wird diese durch die Druckerhöhung ausgelenkt. Die Membranauslenkung kann genutzt werden, um Flüssigkeiten innerhalb eines LOC-Systems infolge der resultierenden Verdrängung zu bewegen .
Besonders vorteilhafte Wege zur Ausführung der Erfindung Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Ausführungs- beispiele näher erläutert werden. Den verwendeten Bezugszeichen kommt eine gleichbleibende Bedeutung zu. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen :
Fig.la: den prinzipiellen Aufbau einer pneumatischen Mi- kroenergiequelle mit einer elastisch dehnbaren Membran als Bestandteil einer Pumpe.
Fig . lb : das Befüllen einer Pumpenkammer .
Fig.lc: die prinzipielle Ansteuerung der Pumpenkammer.
Fig.ld: den Pumpvorgang, ausgelöst durch die pneumatische Energiequelle .
Fig.2a: die Massen der Edukte für die chemische Reaktion und die dazu gehörigen Massenverhältnisse.
Fig.2b: die theoretische und die gemessene Druckentwicklung für 57,6 mg Zitronensäure und 75,6 mg Natriumhydro- gencarbonat .
Fig.2c: die Druckentwicklung über die Zeit bei 57,6 mg Zitronensäure und 75,6 mg Natriumhydrogencarbonat .
Fig.2d: die Volumenentwicklung von C02 in Abhängigkeit der Eduktmassen .
Fig.3: den prinzipiellen Aufbau eines Teilausschnittes eines LOC-Chips mit integrierter pneumatischer Mikro- energiequelle zur Ansteuerung mehrerer Pumpenkammern.
Fig .4 : eine Integration mehrerer Druckquellen auf einem LOC-Chip.
Fig.5: eine Kaskadensteuerung, bei der die Pumpen in Abhängigkeit des anliegenden Druckes angesteuert werden.
Eine in Fig.la dargestellte pneumatische Mikroenergiequelle kann zur Ansteuerung von einer oder mehrerer Pumpenkammern 6 genutzt werden. Eine Integration der pneumatischen Mikroenergiequelle in ein komplexes LOC-System ermöglicht den Transport, das Mischen, Trennen und die Analyse geringer Flüssigkeitsmengen. Dieses LOC-System ist vor allem für chemische, biologische und medizinische Anwendungen geeignet, wo geringe Mengen an oftmals preisintensiven Reagenzien manipuliert und untersucht werden. Die Fertigung der erfindungsgemäßen pneumatischen Mikroenergiequelle wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Zum Herstellen eines Kanalstrukturträgers 1 und eines Aktorstrukturträgers 2 des Mikrosystems können gängige Verfahren der Massenfertigung von Kunststoffformteilen , wie Spritzguss, Heißabformung oder Ähnliches, verwendet werden. Als Materialien eignen sich z.B. Polycarbonat (PC), Cyclo- olefine (COC) , Polyamide (PA) , Polyester (PES) , Polystyrol (PS) , Polyvinylchlorid (PVC) , Polydimethylsiloxan (PDMS) , Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polytetrafluorethylen (PTFE) oder auch Polyethylenterephthalat (PET) .
Zur Fertigung einer kleinen Stückzahl eignen sich z.B. die Verfahren des Rapid Prototyping mit PDMS . Die Negativstrukturen des Kanalstrukturträger 1 und des Aktorstrukturträger 2 werden fotolithografisch auf einen Siliziumwafer übertragen und anschließend durch Sputtern mit Teflon beschichtet, um einen optimalen Abformprozess zu gewährleisten. Das PDMS wird in dem gewünschten Mischungsverhältnis aus Polymer und Vernetzer auf den Siliziumwafer gebracht, entgast und anschließend für ca. 1 h bei 80 °C vernetzt.
Bei einer zwischen den Strukturträgern 1 , 2 der Mikroenergiequelle liegenden Membran 3 handelt es sich um ein dünnes Polymer, vorzugsweise ein Elastomer, das sich leicht aus- lenken lässt. Es bieten sich flexible, elastisch dehnbare Membranen aus PDMS, Polyurethan (PUR) oder Latex an. Die Membranen können eigenständig durch Rotationsbeschichten hergestellt werden. Es lassen sich so Membrandicken von 15um bis 200um erzielen. Membranen mit der erforderlichen Stärke lassen sich allerdings auch kommerziell erwerben. Die Ebenen aus Kanalstrukturträger 1, Aktorstrukturträger 2 und elastisch dehnbarer Membran 3 der pneumatischen Mikro- energiequelle können durch verschiedene Techniken , wie z.B. Kleben, thermisches Schweißen oder kraftschlüssiges Fügen miteinander verbunden werden. Für das Verkleben von PDMS bietet sich die Niederdruck-Plasma-Behandlung an, nach der sich die einzelnen Ebenen des LOC-Chips einfach miteinander verkleben lassen.
Der geometrische Aufbau der pneumatischen Mikroenergie- quelle und damit auch eines LOC-Chips hängt stark von den Zuständen verwendeter Edukte ab, wobei sich drei mögliche Kombinationsvarianten für die Aggregatzustände zweier Edukte ergeben: fest/fest; fest/flüssig und flüssig/ flüssig. Liegen die Edukte in flüssiger Form vor, so müssen sie vor Reaktionsbeginn voneinander getrennt sein . Durch Zusammenführen der beiden Flüssigkeiten wird die Reaktion ausgelöst. Liegt ein Edukt in flüssiger und ein Edukt in fester Form vor, so müssen die Edukte vor Reaktionsbeginn ebenfalls voneinander getrennt sein . Durch Zusammenführen der Flüssigkeit mit dem Feststoff wird die Reaktion ausgelöst. Liegen beide Edukte in fester Form vor, so müssen sie nicht voneinander getrennt sein . Durch Zuführen einer geeigneten Initiatorflüssigkeit 13 wird die Reaktion ausgelöst.
Nachfolgend wird anhand von Fig.la bis Fig.ld ein Pumpvor gang einer pneumatischen Mikroenergiequelle beschrieben, bei der sich beide Edukte 8a, 8b in fester Form (fest/fest) bereits vor Beginn des Versuches in einer Druckkammer 5 befinden. Ein Pumpvorgang mit den Eduktkombinationen
fest/flüssig und flüssig/flüssig ist durch geringfügige Variation des Aufbaus der pneumatischen Mikroenergiequelle zu realisieren .
Zu Beginn des Vorgangs wird die Pumpenkammer 6 mit einer zu pumpenden Flüssigkeit 9 über Einlässe 11 (Fig. 4, Fig. 5) gefüllt. Über eine Kanalstruktur la des KanalStrukturträgers 1 gelangt die Flüssigkeit 9 in die Pumpenkammer 6, die von der Druckkammer 5 durch die elastisch dehnbare Membran 3 getrennt ist. Ein passives Ventil 10 hindert die Flüssigkeit 9 am Weiterfließen und ermöglicht so die vollständige Befüllung der Pumpenkammer 6. Ein passives Ventil 10 kann durch eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften, wie z.B. durch Hydrophobisierung des TrägerSubstrates durch Trichlorsilan an ausgewählten Stellen realisiert werden. Auch durch das Verringern des KanalquerSchnittes und der daraus resultierenden Erhöhung des fluidischen Widerstandes kann ein passives Ventil aufgebaut werden. Die Initiatorflüssigkeit 13 für die chemische Reaktion wird ebenfalls in einen Einlass 11 gefüllt. Bei der Initiatorflüssigkeit 13 handelt es sich idealerweise um Wasser, es kann jedoch auch jede andere mögliche Flüssigkeit genutzt werden, in der sich Edukte 8a, 8b lösen oder die selbst ein Edukt ist.
Der Pumpvorgang einer Flüssigkeit 9 durch die pneumatische Mikroenergiequelle wird nachfolgend durch die Bilder Fig . la bis Fig.ld beschrieben. Fig.la zeigt die pneumatische Energiequelle im Grundzustand. Die Pumpenkammer 6 ist von der Druckkammer 5 durch die elastisch dehnbare Membran 3 getrennt. Die Edukte 8a, 8b der chemischen Reaktion liegen in fester Form in der Druckkammer 5 vor. Am Eingang der Pumpenkammer 6 und der Druckkammer 5 befinden sich geöffnete Richtungsventile 4a, 4b. Wie in Fig.lb zu sehen, wird im ersten Schritt die Pumpenkammer 6 mit der zu pumpenden Flüssigkeit 9 gefüllt. Während des Befüllvorgangs passiert die Flüssigkeit 9 das Richtungsventil 4a. Ein geschlossene Richtungsventil 4a im Kanal la des Kanalstrukturträgers 1 bewirkt, dass die zu pumpende Flüssigkeit 9 während des Pumpvorgangs nur in eine Richtung und zwar über das passive Ventil 10 aus der Pumpenkammer 6 bewegt werden kann. Fig.lc zeigt die befüllte Pumpenkammer 6 und das geschlossene Richtungsventil 4a im Kanalstrukturträger 1. Das geschlossene Richtungsventil 4a verschließt den Kanal la im Kanalstrukturträger 1 dicht. Nach dem Befüllen der Pumpenkammer 6 und dem Verschließen des Einlasskanals la durch das Richtungsventil 4a wird die Initiatorflüssigkeit 13 aus einem Flüssigkeitsreservoir 7 in die Druckkammer 5 gefüllt, wobei sie das geöffnete Richtungsventil 4b im Kanal 2a des Aktorstrukturträgers 2 passiert. Bevor die Initiatorflüssigkeit 13 die Edukte 8a und 8b erreicht, schließt das Richtungsventil 4b den Kanal 2a des Aktorstrukturträgers 2 , wodurch die Druckkammer 5 dicht nach außen hin verschlossen ist, was garantiert, dass Druck in der Druckkammer 5 durch die chemische Reaktion aufgebaut werden kann.
Kommt die Initiatorflüssigkeit 13 mit den Edukten 8a und 8b in Kontakt, so kommt es aufgrund der nun ausgelösten chemischen Reaktion zur Gasentwicklung . Bei den Edukten 8a und 8b handelt es sich beispielsweise um eine Säure und ein Salz, die durch eine chemische Reaktion zu einem Gas reagieren. Aus Sicherheitsgründen werden vorzugsweise schwache Säuren, wie Zitronensäure (C6H807) , Malonsäure (C3H04) , usw. für die Reaktion verwendet. Als Salze bieten sich Natrium- hydrogencarbonat (NaHC03) , Natriumcarbonat (Na2C03) , usw. an, da bei ihrer Reaktion mit der Säure das ungefährliche Gas CO2 entsteht. Prinzipiell können als Edukte alle Stoffe verwendet werden , die durch eine Reaktion Gas abgeben . In den nachfolgenden Erläuterungen wird sich auf die Edukte Zitronensäure (C6H807) und Natriumhydrogencarbonat (NaHC03) bezogen. Zu Beginn der Reaktion liegen die Edukte 8a und 8b in fester Form vor. Erst wenn die Edukte 8a und 8b mit der Initiatorflüssigkeit 13 in Kontakt kommen, wird die chemische Reaktion gestartet. C6H807 + NaHC03 - Na3C6H507 + 3C02 + 3H20 (Gl.l) Als Produkte entstehen Natriumeitrat (Na3C6H507) , das Gas Kohlenstoffdioxid (C02) und Wasser (H20) . Da als Produkt Wasser entsteht, unterhält sich die Reaktion selbst. Dies bedeutet, dass schon ein geringer Tropfen Wasser genügt, um die Reaktion zu starten und sie nicht aufgrund von fehlender Flüssigkeit abbricht.
Fig.ld zeigt die Druckentwicklung aufgrund der chemischen Reaktion . Wichtig für die Druckentwicklung sind das geschlossene Richtungsventil 4a am Eingang der Pumpenkammer 6 und das geschlossene Richtungsventil 4b am Eingang der Druckkammer 5.
Da das bei der chemischen Reaktion entstandene Gas ein größeres Volumen benötigt als die Edukte 8a und 8b, kommt es in der abgeschlossenen Druckkammer 5 infolge der Volumenvergrößerung zu einem Druckanstieg. Der Druckanstieg wird genutzt, um die elastisch dehnbare Membran 3 auszulenken, was zu einer Verkleinerung des Pumpenkammervolumens und somit zu einer Verdrängung der Flüssigkeit 9 in der Pumpenkammer 6 führt. Dieser Verdrängungsprozess kann als Pumpvorgang angesehen werden. Mit diesem Ansatz können nicht nur Pumpen, sondern auch Schließerventile realisiert werden, wenn die ausgelenkte Membran den Volumenstrom in bestimmte Regionen des LOC-Systems verhindert.
Es ist auch möglich, den Flüssigkeitstransport auf einem LOC-Chip mit integrierter pneumatischer Mikroenergiequelle ohne elastisch dehnbare Membranen aufzubauen. Hierbei wird die Flüssigkeit direkt durch das bei der chemischen Reaktion entstehende Gas verdrängt. Nachteilig hierbei ist, dass das Gas sich mit der Flüssigkeit mischen kann, was zu einer Ergebnis erfälschung des LOC-Systems führt.
Die Dynamik der Gasentwicklung und die damit verbundene Pumpgeschwindigkeit und der maximale Druck in der Druck- kammer 5 lassen sich durch die Auswahl der Edukte und deren bei der chemischen Reaktion verwendeten Massen beeinflussen .
Fig.2a zeigt das Massenverhältnis für die chemische Reaktion von Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat . Das Massenverhältnis bezieht sich hierbei auf die Reaktionsgleichung (61.1) von Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat. Damit eine möglichst vollständige Umsetzung der Edukte erfolgt, sollten die Edukte in einem Massenverhältnis von 192:252 bzw. 1:1,31 eingesetzt werden.
Fig.2b zeigt die bei der Reaktion verwendeten Massen an Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat, den theoretischen und den gemessenen Druck in kPa und den daraus resultierenden relativen Fehler .
Der theoretische Druck wurde über die allgemeine thermische Zustandsgieichung idealer Gase berechnet:
Pv Rs"l T (61.2)
p-Druck; V-Volumen; Rs-spezifische Gaskonstante; m-Masse; T-Temperatur
Durch Umstellen von 61.2 entsteht:
R,mT
F=—
P
wobei T (288 K) , p (101,3 kPa) und Rs ( 188,9 J kg"1 K"1für C02) Konstanten sind. Die Masse an theoretisch entstandenem C02 erhält man aus der Reaktionsgleichung, durch Einsetzen der jeweiligen Molaren Masse.
Durch Anwenden des Gesetzes von Boyle-Mariotte :
pt V =p,V2 (61.3)
kann mit pi = 101,3 kPa und V2 = 8,5 ml der Druck infolge der chemischen Reaktion berechnet werden. Der theoretische Druck, der über die allgemeine thermische Zustandsgieichung idealer Gase berechnet wurde stimmt gut mit dem gemessenen Druck überein .
Fig.2c zeigt die Druckentwicklung über die Zeit bei 57,9 mg Zitronensäure und 75,6 mg Natriumhydrogencarboat . Die Reaktion zeigt ein dynamisches Verhalten. 50% des maximalen Druckes stehen schon nach wenigen Sekunden zur Verfügung. Die Standardabweichungen des Diagramms zeigen, dass die Reaktionsergebnisse reproduzierbar sind. Durch Verändern der eingesetzten Eduktmassen lassen sich die Drücke voreinstellen. Je größer die eingesetzten Eduktmassen sind, desto größer ist die Dynamik des Systems und desto größer ist auch der Maximaldruck. Fig.2d zeigt das durch die chemische Reaktion entstandene Volumen an C02. Auch hier stimmen die theoretischen Werte gut mit den Messwerten überein. Abweichungen entstehen vor allem durch:
• Fehler und Ungenauigkeiten beim Dosieren der Edukte
• Keine vollständige Reaktion der Edukte miteinander
• Das entstandene C02 löst sich gut Wasser, wodurch die Messergebnisse verfälscht werden können.
Wie in Fig.3 zu sehen ist, können mit einer pneumatischen Mikroenergiequelle mehrere pneumatische Mikroenergiequellen gleichzeitig angesteuert werden . Die pneumatischen Mikroenergiequellen können geometrisch beliebig auf einem LOC- Chip verteilt werden, solange sie durch Kanäle 2a im Aktorstrukturträger 2 mit den Druckkammern 5 verbunden sind. Die Anzahl der pneumatischen Mikroenergiequellen ist nicht beschränkt, so dass beliebig viele voneinander unabhängige Druckquellen auf dem LOC-Chip platziert werden können .
Durch die allseitige Druckverteilung können viele Elemente, wie z.B. Pumpen und Ventile gleichzeitig betätigt werden. Befinden sich mehrere Druckquellen auf dem LOC-Chip, so können Elementkaskaden aufgebaut werden, die zeitlich variabel angesteuert werden können und so mehrere Pumpvorgänge auf dem LOC-Chip realisieren. Die Integration von Überdruckventilen 14 verhindert, dass ein LOC-Chip durch zu hohen Druck zerstört wird. Erreicht der Druck in der Druckkammer 5 einen festgelegten Maximaldruck, so öffnet das Druckventil 14 und verhindert, dass der Maximaldruck überstiegen und der LOC-Chip zerstört wird.
Fig.4 zeigt die Integration von mehreren pneumatischen Mi- kroenergiequellen auf einem LOC-Chip. Mit jeder pneumatischen Mikroenergiequelle können eine variable Anzahl an Pumpen zeitlich unabhängig voneinander und mit verschiedenen Drücken angesteuert werden.
In Fig.5 ist eine Kaskadensteuerung verschiedener Pumpen dargestellt. In Abhängigkeit der Überdruckventile 14 werden die Pumpen dann mit Druck beaufschlagt, wenn der Druck im Kanal 2a des Aktorstrukturträgers 2 den Öff ungsdruck des Überdruckventils 14 überschreitet. Es kann so eine druckbasierte Kaskadensteuerung des LOC-Chips aufgebaut werden.
Bezugszeichenliste
1 Kanalstrukturträger
la Kanal im Kanalstrukturträger
2 Aktorstrukturträger
2a Kanal im Aktorstrukturträger
3 elastisch dehnbare Membran
4a Richtungsventil im Kanalstrukturträger
4b Richtungsventil im Aktorstrukturträger
5 Druckkammer
6 Pumpenkammern
7 Reservoir der Initiatorflüssigkeit
8a Edukt 1 (Säure)
8b Edukt 2 (Salz)
9 Flüssigkeit
10 Passives Ventil
11 Einlass/Eingang
12 Auslass/Ausgang
13 Initiatorflüssigeit
14 Druckventil

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofluidiksystem mit einem Aktorstrukturträger (2) und einem Kanalstrukturträger (1) , die sandwichartig übereinander montiert und durch eine elastisch dehnbare Membran (3) druckdicht getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aktorstrukturträger (2) ein Kanal (2a) von einem Reservoir (7) für eine Initiatorflüssigkeit (13) zu einer mit löslichen Festedukten (8a, 8b) befüllten Druckkammer (5) führt, dass durch den Kanalstrukturträger (1) ein Kanal (la) mit einer der Druckkammer (5) gegenüberliegenden Pumpenkammer (6) führt, dass die Druckkammer (5) von der Pumpenkammer (6) durch eine in die Pumpenkammer
(6) elastisch ausdehnbare Membran (3) getrennt ist, dass ein Ventil (4b) im Kanal des Aktorstrukturträgers (2a) angeordnet ist, welches im geöffneten Zustand das Reservoir
(7) mit der Druckkammer (5) verbindet und im geschlossenen Zustand die Druckkammer (5) verschließt, dass die Initiator lüssigkeit (13) und die Festedukte (8a, 8b) von solcher Beschaffenheit sind, dass bei ihrer Zusammenführung in der Druckkammer (5) über das offene Ventil (4b) eine hilfsenergiefreie chemische Reaktion in der Druckkammer (5) erfolgt, bei der als ein Reaktionsprodukt ein Gas entsteht, welches in der Lage ist, den Druck in der über das Ventil (4b) verschlossenen Druckkammer (5) so zu erhöhen, dass die Druckkammer (5) durch Auslenken der elastisch dehnbaren Membran (3) in die über Ventile (4a, 10) steuerbare Pumpenkammer (6) hinein eine Volumenvergrößerung erfähr .
2. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass mindestens ein Festedukt (8a, 8b) in einer Initiatorflüssigkeit (13) gelöst ist und eine chemische Reaktion durch Zusammenführen der Initiatorflüssigkeit (13) mit einem ungelösten Festedukt (8a, 8b) oder durch ein Zusammenführen mehrerer Initor lüssigkeiten (13) , in denen die Edukte (8a, 8b) gelöst sind, ausgelöst wird.
3. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Art und Menge der Edukte (8a, 8b) die Dynamik der Druckentwicklung und der maximale Druck in der Druckkammer (5) vorbestimmt ist.
4. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Edukt (8a) eine Säure und ein weiteres Edukt (8b) ein Salz ist.
5. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenken der elastisch dehnbaren Membran (3) in die Pumpenkammer (6) eine in der Pumpenkammer (6) befindliche Flüssigkeit (9) in den Kanal (la) verdrängt .
6. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikroenergiequellen in einem Mikrosystem integriert sind.
7. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass Richtungsventile (4a) in den Kanälen (la) definierte Volumenstromrichtungen während eines Pumpvorganges sicherstellen.
8. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Druckventilen (14) eine Kaskadensteuerung aufgebaut ist, wobei bestimmte Kanäle in Abhängigkeit eines anliegenden Druckes angesteuert werden.
9. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Druckventile (14) eine ungewollte Zerstörung des Chips verhindern .
10. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Medien (Edukte, Flüssigkeiten, usw.) bereits bei dessen Herstellung eingebracht sind.
11. Verfahren zum Betreiben eines Mikrofluidiksystems , dadurch gekennzeichnet, dass durch ein gezieltes Zusammenführen mindestens zweier Edukte (8a, 8b) in einer Druck kammer (5) eine hilfsenergiefreie chemische Reaktion veranlasst wird, bei der als ein Reaktionsprodukt ein Gas entsteht, welches den Druck in der Druckkammer (5) so erhöht, dass die Druckkammer (5) durch Auslenken mindestens einer elastisch dehnbaren Membran (3) eine VolumenVergrößerung erfährt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte (8a, 8b) in einer Form fest/fest, fest/ flüssig oder flüssig/flüssig in der Druckkammer (5) vorliegen, wobei bei einer Eduktkombination fest/fest die Reaktion durch eine Initiatorflüssigkeit (13) ausgelöst wird, welche ventilgesteuert zugeführt wird.
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